時間簡史The Origin and Fate of the Universe（Part 1)－8

 The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

8-The Origin and Fate of the Universe (Part 1)

 

愛因斯坦的廣義相對論本身就預示了宇宙起源於大爆炸singularity，終止於或者是物質大聚集的singularity，或者是黑洞裏的singularity。而量子力學則預示了黑洞和黑洞裏的singularity最終會揮發消失，物質和能量又會回到宇宙中。我們不禁要問，相對於量子力學在宇宙終結時起的作用，它對於宇宙大爆炸的起始有沒有同樣大的作用？

 

一般認為，宇宙起源於溫度極高的大爆炸。在宇宙大爆炸那個點，宇宙是無限的小而溫度是無限的高。大爆炸後，宇宙向外擴展，同時因熱量輻射失去能量而降溫。高能量產生了大量的光子，中微子，電子和它們的anti粒子，以及一部分質子和中子。隨著溫度的下降，電子和反電子的製造速度逐漸低於它們互相中和的速度，最終隻剩下少量的電子。而中微子與它的反粒子則沒有互相中和，所以它們現在還存在於宇宙空間，隻是因為它們的溫度能量太低而不能被我們容易觀察到。大約在大爆炸後的百分之一秒後，溫度降低了大約10億度，在這個溫度下，質子和中子不再有足夠的能量來擺脫它們之間巨大的核吸引力，質子和中子進而結合成原子核，進一步形成氦氣核。我們現在計算出大約四分之一的質子和中子結合後轉化為氦氣原子核，剩下的轉化為氫氣核和其它元素。

 

在大爆炸後麵的幾個小時，氦，氫和其它元素的製造由於溫度的不斷下降而最後終止。在後麵的幾百萬年，元素的製造處於相對靜止狀態，然而宇宙繼續擴展，溫度繼續下降，大約溫度下降到幾千度時，電子和原子核不再有足夠的能量來克服它們之間的電磁場而彼此結合，形成原子。

 

在宇宙擴展和冷卻的過程中，在某些局部區域由於不規則波動，它的質量密度稍微大於平均值，導致這一區域受更強的萬有引力作用，減弱了擴展並最終開始收縮。在它收縮的過程中，這個區域外圍的萬有引力開始帶動它緩慢的旋轉，形成一個圓盤形的銀河係。銀河係麵積收縮得越小，旋轉越快。如果這個局部區域沒有被外圍萬有引力帶動旋轉，那麽就成為一個靜止的呈橢圓形的銀河係，這個銀河係在外圍萬有引力的作用下停止收縮，而裏麵各個星座則圍繞它所處的銀河係的中心旋轉。

 

隨著時間的推移，氦氣和氫氣受萬有引力作用逐漸積聚成更小的雲層。隨著雲層的收縮，原子和原子相互碰撞而釋放熱量，這個熱量高到一定程度導致核聚變反應，氫由此轉變成更多的氦，並釋放大量的熱量。而熱量的釋放增加了向外擴展的氣壓，從而阻止了雲層的進一步收縮而最終達到一個平衡狀態。這種平衡狀態可以維持相當長的時期，就像我們賴以生存的太陽。

 

大的星球需要更多的核聚變反應來平衡更大的萬有引力，因而燃燒的更快。當能量開始用盡的時候，溫度降低導致雲層收縮，原子間的碰撞加劇促成溫度再次升高，這時，氦氣轉化成更重的元素譬如氧和碳，而它們不再釋放出能量。科學家們進一步推理，雲層的中心地帶也許會收縮成為一個密度非常高的中子星或黑洞，它的外圍有時因為強烈的爆炸會把物質和能量重新推回宇宙空間。這類爆炸非常強烈，我們稱之為supernova。而被它釋放的雲層又是形成下一代星球的原始材料。譬如我們的太陽，它是第二或第三代星球。

 

地球也是一樣，一開始溫度非常高。隨著地球的冷卻，岩石釋放出的氣體形成了地球的大氣層。這個大氣層沒有氧氣，但是最早期的原生物卻能在其中生存進化。變異基因使生物發展的越來越複雜高級，最終成為今天的我們。而這些早期生物由於消費掉大氣層中許多對現代生物的有害成份，最終進化成適於我們人類居住的環境。

 

但是，還是有一些重要問題無法解釋：

 

1: 為什麽早期的宇宙如此炙熱？

 

2: 為什麽宇宙從宏觀來看那麽平衡一致？為什麽宇宙空間不管從哪一方向看都是相同的？為什麽我們環境中存在的無處不在的微波輻射，不管這個輻射來自於哪個方向，它的溫度都幾乎是相同的？

 

3: 為什麽宇宙在一開始時以一個臨界的速度擴展？這個臨界速度，有效的區分了宇宙在未來是收縮還是無限擴展。即使在100億年後的今天，宇宙還是以幾乎同樣的速度擴展。如果大爆炸一秒後的擴展速度稍微慢一點，宇宙也許在擴展一定時間後就開始收縮，而不會發展到現在我們看到的這個樣子。

 

4: 盡管宇宙從宏觀來看非常一致，但它在局部帶有密度的波動，這種不規則的波動導致了星球和銀河係的產生，那麽又是什麽造成這種不規則的波動？

 

To be continued.